蘑菇状火山岩模型的二维地震正演模拟分析

李东庆， 魏建新， 狄帮让， 高 峰， 兰晓光

( 1. 中国石油大学(北京) 地球物理与信息工程学院，北京 102249； 2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 3. 中国石油大学(北京) CNPC物探重点实验室，北京 102249 )



蘑菇状火山岩模型的二维地震正演模拟分析

李东庆1,2,3， 魏建新1,2,3， 狄帮让1,2,3， 高 峰1,2,3， 兰晓光1,2,3

( 1. 中国石油大学(北京) 地球物理与信息工程学院，北京 102249； 2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 3. 中国石油大学(北京) CNPC物探重点实验室，北京 102249 )

为了研究蘑菇状火山岩储层的地震响应特征，根据地质资料构建蘑菇状火山岩地质模型，分别采用物理模拟和数值模拟方法对蘑菇状火山岩模型进行正演模拟。结果表明，蘑菇状火山岩的地震响应特征总体趋势一致，即火山岩上部外形为蘑菇头状，与其结构形态类似；火山岩下部产生“蘑菇无根”现象，在细节上存在差异。物理模拟方法得到的地震波信息更加丰富，且在模拟过程中地震波的传播方式更符合地下实际情况；数值模拟方法没有噪音干扰，资料品质好，且可以得到波场快照信息。两种正演模拟方法具有互补性，为研究复杂地质情况下的火山岩地震响应特征提供更好的支持。

蘑菇状火山岩； 物理模拟； 数值模拟； 地震响应

0 引言

我国东部的松辽盆地和西部的准噶尔盆地等深层油气藏勘探成果表明，火山岩具有良好的油气勘探前景，逐渐成为全球油气勘探的重要领域，越来越受到油气勘探界的重视[1-6]。火山岩储层具有埋藏深、与地层接触关系复杂多变、非均质性强及速度高等特点，造成火山岩地震响应特征复杂化，进而给火山岩储层的识别、预测及地质规律的认识带来困难[7-9]。需要通过综合地质、钻井、测井和地震等资料[10-12]，运用地震反演等技术对火山岩的储层信息进行更准确的描述，而地震反演的基础是地震正演模拟技术。采用地震正演模拟技术，研究火山岩的地震响应特征可以减少地震反演的多解性，增加地震解释的准确度，从而实现对火山岩内部机构的准确划分与刻画。因此，地震正演模拟技术在火山岩地震响应及储层预测研究中的重要性日益凸显[13-14]。

王建花等[15]认为，由于火山岩往往作为高速异常体侵入地层，因此火山岩的存在可以引起能量屏蔽。毛小平等[16]、李素华等[17]采用波动方程数值模拟方法，分别研究层状和不同波阻抗组合条件下的火山岩理论模型的地震响应特征，认为火山岩的存在导致下伏地层的上翘，且对下伏地层成像具有屏蔽作用，进而对地震解释的准确性产生影响。苏巍等引入非平稳随机介质模型构建方法，建立丘状火山岩地质模型，并采用交错网格有限差分法进行正演模拟，分析由浅至深各反射层及沉积相带的地震反射特征，认为火山体的顶、底界面振幅强弱及反射形态，与火山岩体的厚度和上、下围岩的岩性组合有关[18]。黄林军等利用Tesseral 2.5D正演软件，对两个不同密度和速度的层状火山岩地质模型进行数值模拟分析，论证火山岩储层地震响应特征为连续低速强振幅反射，同时预测风城组下部另一套火山岩储层的存在[19]。

目前，有关火山岩储层的正演模拟研究存在两点不足：一是有关蘑菇状火山岩的正演模拟研究较少，由于火山岩的喷发模式及喷发时期不同，使得火山岩的外部形态复杂多变，常见的外部形态有菱形、椭球形、丘形、蘑菇状、层状及楔状等，其中蘑菇状的火山岩按照地震相分类的划分属于蘑菇状地震相。通常蘑菇状地震相的内部及其上部的披覆构造中易形成气藏和油藏，是一种典型的火山岩油气藏[14]，因此有必要对蘑菇状火山岩进行正演模拟，分析地震响应特征，增强对蘑菇状火山岩储层的认识。二是有关火山岩的正演模拟是基于地震数值模拟展开的，缺少物理模拟研究。数值模拟常常受计算方法和假设条件的限制，使得正演模拟达不到理想效果，而地震物理模拟能较真实地模拟野外实际地质情况，在地震勘探领域得到广泛的应用[20-27]。

笔者利用地质资料，建立蘑菇状火山岩地质模型，分别进行地震物理模拟和数值模拟；两种正演模拟方法除了具有各自的优势外，还具有一定的互补性，将两种技术结合可以更好地认识蘑菇状火山岩的地震响应特征，为火山岩地震响应特征的研究提供思路。

1 火山岩地质模型

根据某火山岩地区地质解释、地震资料和测井资料等信息，构建蘑菇状火山岩地质模型(见图1)。该模型中火山岩的外部形态为蘑菇状，火山通道与其围岩之间夹角较大，近似垂直，蘑菇头顶部上覆地层为白云岩，下伏地层为沉积砂砾岩。模型长度为20.00 km，深度为9.08 km，每层的地震波速度和岩石密度参数见表1。由于物理模型的采集是在水槽中进行的，将该模型的顶底设计为相应厚度的水层。

图1 蘑菇状火山岩地质模型Fig.1 Mushroom-shaped volcanic geological model

根据火山岩地质模型，制作相应的火山岩物理模型。由于物理模型在制作过程中受到制作材料特性的限制，使得制作的地层密度和速度参数不能完全与火山岩地质模型中的密度和速度参数相同，需要通过一定的比例转换后才能与地质模型接近，最终确定物理模型与火山岩地质模型的密度比为1∶1.61，速度比为1∶2，转换前后的密度和速度参数见表1。蘑菇状火山岩实物图及制作完成的火山岩模型实物图见图2，物理模型的长度和宽度为1 000.0 mm，高度为334.4 mm。根据物理模型参数，制作与其参数相同的数值模拟模型。

表1 火山岩地质模型参数

图2 蘑菇状火山岩实物和物理模型Fig.2 The material object and physical model of mushroom-shaped volcanic rock

2 数据采集

2.1 物理模拟

物理模型数据采集由高精度自动定位采集系统完成。设计二维地震数据采集的观测系统：单边放炮，共194炮，炮间距为80 m，每炮216道，道间距为40 m，最小偏移距为400 m，采样间隔为2 ms，采用的震源子波是中心频率约为230 kHz的多相位混合子波。

第80炮单炮的物理和数值模拟记录见图3(a)，可以看出物理模拟记录中地震波信息丰富，除了直达波和一次反射波外含有大量的多次波，记录上标出各反射界面的同相轴，因为存在高速火山岩体对下伏地层的屏蔽作用及多次波的干扰，反射界面很难在记录中被准确地分辨出来。单炮记录产生多次波的原因是物理模拟数据采集是在水槽中完成的，模型顶部水层使得地震波从地下界面反射到水层后，有一部分波再次发生反射转而向地下传播，最终产生多次波。

图3 第80炮单炮记录的物理模拟和数值模拟记录Fig.3 The 80th shot record of physical modeling data and numerical simulation data

多次波是一种干扰波，它与一次反射波互相干涉迭加，破坏有效波的识别和追踪，进而影响目的层的成像，因此需要对多次波进行压制。分别测试聚束、拉冬、F-K滤波等压制多次波方法，结合物理模拟数据特点，选择拉冬滤波和内切结合的方法对多次波进行压制，多次波衰减前、后速度谱见图4。由图4可以看出，多次波衰减后的速度谱质量明显变好，能够提高速度分析的精度。

图4 多次波衰减速度谱及NMO道集Fig.4 The velocity spectrum and NMO trace set before and after multiple wave attenuation

2.2 数值模拟

采用WaveMOD二维正演模拟软件对火山岩模型进行数值模拟[28]。该软件具有计算效率高、占用内存小等特点，适用于非均匀介质、复杂构造及复杂岩性介质的地震波场模拟。鉴于物理模型数据采集以纵波为主，数值模拟采用声波方程模拟，其观测系统与物理模拟的相同。综合考虑模型的尺寸及计算效率，使用20 m网格对数值模型进行网格剖分，激发震源采用主频为20 Hz的雷克子波。

第80炮单炮记录见图3(b)，在单炮记录中标出各反射界面的同相轴。与图3(a)相比，各反射面上的同相轴位置基本相同，但在能量上有差别，直达波能量较强，在远偏移距处，物理模拟数据能量的衰减明显比数值模拟的快。另外，数值模拟的地震波信息没有物理模拟的丰富。

3 正演模拟结果

对物理模拟和数值模拟的地震记录进行常规资料处理，其处理流程基本一致，不同的是物理模拟数据需要进行多次波压制处理；然后对两种数据进行叠前时间偏移和叠前深度偏移成像，在成像过程中两种数据的偏移参数也基本一致，成像剖面见图5和图6。在物理模拟和数值模拟偏移剖面上，蘑菇状火山岩的反射特征整体上是一致的，火山岩上部外形为蘑菇头状，与其结构形态类似；火山岩下部通道在地震剖面上没有得到相应的反射特征，产生“蘑菇无根”的现象，但两者反射特征在细节上存在一定的差异。

3.1 蘑菇头边界及内部反射特征

蘑菇头顶部边界(见图5和图6中①)同相轴成像不清晰，并且同相轴连续性较差，原因是上覆地层与火山岩的波阻抗差异较小，反射因数为0.035 6。由第121炮(t=0.65 s)的波场快照(见图7(a)中①)可以看出，蘑菇头顶部的反射很弱，导致顶界面同相轴成像不清晰。相比蘑菇头顶部的弱反射特征，蘑菇头的两个下侧边界(见图5和图6中②)同相轴能量很强，表现为连续性好、反射特征强，主要原因是蘑菇头下伏地层与高速火山岩的波阻抗差异较大，使得同相轴振幅强度增强。由第121炮(t=0.75 s)的波场快照(见图7(b)中①)可以看出，下侧边界的反射很强，是蘑菇状火山岩外部形态识别的重要标志，为地震层位标定提供较好的依据。

图5 物理模拟的叠前时间和叠前深度偏移剖面Fig.5 The prestack time and prestack depth migration section of physical modeling

蘑菇头两翼的上侧边界(见图5和图6中③)同相轴基本上未成像，原因是T5层和T6层的波阻抗差大而产生强反射，对下伏地层有屏蔽作用，影响地震波的向下传播。由第121炮(t=0.65 s)的波场快照(见图7(a)中②)可以看出，地震波没有反射而影响边界成像。当地震波继续传播，由第121炮(t=0.75 s)的波场快照(见图7(b)中②)可以看出，地震波不再受上覆地层的屏蔽作用影响而产生反射。

火山岩上部即蘑菇头部分，其内部反射特征在偏移剖面上表现为明显的空白反射(见图5和图6)，与正演模拟方法和成像方法无关，因此利用蘑菇头顶部边界的弱反射、下侧边界的强反射，以及蘑菇头内部的空白反射特征可以在地震剖面上确定火山岩上部的外部形态和空间展布。

3.2 下伏地层反射特征

在物理模拟和数值模拟的叠前时间偏移剖面上，火山岩底部的同相轴(见图5(a)和图6(a)中④)出现严重的上凸现象。原因是火山岩具有高速特性，使得下伏地层的反射波穿过火山岩体时反射旅行时变短，导致火山岩下伏地层的反射旅行时也变短。在两个叠前深度偏移剖面(见图5(b)和图6(b))中未见到上凸现象，说明上凸现象是由叠前时间偏移方法的固有缺点引起的。当速度存在横向剧烈变化或者高陡构造时，叠前时间偏移绕射能量和反射能量不能准确地聚焦和归位，进而产生上凸现象，因此在利用时间偏移结果对火成岩进行解释时，应该注意剩余绕射对火山岩反射特征的影响。

3.3 蘑菇根部反射特征

在物理模拟和数值模拟的叠前深度偏移剖面上，火山岩的下部通道在地震剖面上产生“蘑菇无根”现象，但“蘑菇无根”现象的程度不同。在数值模拟的叠前时间和深度偏移剖面上，蘑菇根部表现为空白反射样；在物理模拟的叠前时间偏移剖面上，蘑菇根的上部没有反射，蘑菇根的下部出现的反射也无法与实际的结构对应；在物理模拟的叠前深度偏移剖面上，虽然没有产生明显的蘑菇根的反射特征，但可以看到与蘑菇根部的结构特征对应的异常反射(见图5(b))。

对“蘑菇无根”现象进行分析，选取第121炮(t=0.85、1.10 s)的波场快照(见图7(c)、(d))。由图7(c)、(d)可以看出，由于整个火山通道的构造陡峭而近似垂直，从地震波开始进入火山通道到传播到火山通道的底部时，火山通道内接收到的地震波的能量很弱。另外，根据模型设计参数，火山通道与两侧的地层T8、T9的波阻抗差异很小，接触面的反射因数分别为0.109 0和0.046 0；因此即使在火山通道内可以接收到地震波传来的能量，在火山通道的两侧边界也很难有充足的反射。虽然通过叠前深度偏移成像可以有效地改善高陡构造的成像问题，但是火山通道与两侧地层的波阻抗差异很小，在数值模拟的剖面上经过深度偏移处理也很难对蘑菇根部的构造进行成像。

此外，在模型制作和信号采集过程中，物理模拟可能给地震记录带来一些噪音，在进行叠前时间偏移处理时噪音对蘑菇根部的成像产生影响。在物理模拟的叠前深度偏移剖面上，在蘑菇根部有明显的异常反射特征，与数值模拟的叠前深度偏移剖面相比，两个剖面在蘑菇根部有同样的难以成像原因，但两者反射特征有很大差异。因为物理模拟得到的二维地震记录是从三维物理模型中采集到的，数值模拟得到的二维地震记录是根据二维数学模型经过波动方程正演而得到的，即两者地震波在地层接触面处的传播规律存在差异，前者更接近于野外的传播方式，后者一般按照严格的数学条件进行传播，所以即使在构造陡峭且波阻抗差异很小的情况下，在物理模拟的叠前深度偏移剖面上，也可以看到与实际火山岩结构特征接近的异常反射。对于存在构造陡峭且构造与两侧地层之间的波阻抗差异比较小的地质构造，使用二维的数值模拟时得到的地震反射特征可能与实际的反射特征不符，即二维的数值模拟存在一定的局限性。这种情况下应该使用三维正演模拟，或者根据三维模型进行二维正演模拟，得到的反射特征才更真实可靠。

3.4 精度分析

为了对比物理模拟和数值模拟的精度，分别抽取火山岩体两翼尖灭点处的CDP道集，火山岩成像的宽度分别为4.92 km和5.24 km，实际设计宽度为5.16 km，数值模拟的成像宽度更接近于实际宽度，还要考虑物理模型在制作过程中存在1 mm左右的误差。因此，物理模拟的精度虽然没有数值模拟的高，但也可以达到理想的精度。

4 结论

(1)对蘑菇状的火山岩模型分别进行地震物理模拟和数值模拟，其叠前时间和叠前深度偏移剖面上蘑菇头边界及内部的反射特征基本一致，利用蘑菇头顶部边界的弱反射、下侧边界的强反射，以及蘑菇头内部的空白反射特征可以在地震剖面上初步确定蘑菇状火山岩蘑菇头的外部形态和空间展布。

(2)在叠前时间偏移剖面上，火山通道的下伏地层出现严重的上凸现象，与偏移成像方法有关，可以通过叠前深度偏移避免。在利用叠前时间偏移结果对火山岩进行解释时，需要注意剩余绕射对火山岩反射特征的影响。两种模拟结果的偏移剖面上产生“蘑菇无根”的现象，但是“蘑菇无根”的程度及产生的原因并不全完相同。

(3)在一定情况下，二维的物理模拟相比二维的数值模拟能更真实地模拟地下情况，地震波信息也更加丰富。数值模拟的资料品质好，并且可以利用波场信息进一步解释正演得到的地层反射特征。两种模拟方法可以相互补充，在进行火山岩的地震正演模拟时可以综合运用物理模拟和数值模拟。

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2016-08-03；编辑：任志平

国家科技重大专项(2016ZX05007-006)

李东庆(1988-)，男，博士研究生，主要从事地震物理模拟方面的研究。

TE19;P631.4

A

2095-4107(2016)05-0094-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.011